从操作设备、手术机器人及其移动控制方法与流程

本申请涉及医疗器械，特别涉及一种从操作设备、手术机器人及其移动控制方法。

背景技术：

1、微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。

2、随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。

3、从操作设备包括机械臂、操纵臂，以及设置在操纵臂上的手术器械。为了实现通过机械臂来控制操纵臂连同手术器械的多自由度运动，机械臂上设有多个运动关节，如旋转关节、移动关节等中的一种或多种。通常机械臂上对应各关节的电机会配置减速比很大的减速机，以使得各关节获得大的驱动扭矩和功率。然而，这使得反向拖动这些关节的阻尼比较大，也即人工反向拖动关节以调整手术器械会较为困难。通过控制算法也无法识别末端推力的大小，采用电机直驱的方式基本不可能实现所需要的大的驱动扭矩。

技术实现思路

1、本申请目的在于提供一种从操作设备，旨在解决现有的手术机器人反向拖动关节困难、手术器械调节困难的技术问题。

2、本申请实施例是这样实现的，一种从操作设备，包括相连接的机械臂和操纵臂，所述操纵臂包括持械臂；所述机械臂包括多个用于移动所述操纵臂的关节，以及用于驱动所述关节的电机组件；其特征在于，

3、所述从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，所述力传感单元设置在所述持械臂上并用于检测所述持械臂受到的作用力；所述控制单元与所述电机组件连接，所述控制单元用于根据所述持械臂受到的作用力控制所述电机组件驱动调整所述关节。

4、在一个实施例中，所述持械臂包括相互连接的上支架和下支架，所述上支架耦接到所述机械臂，所述力传感单元设于所述下支架上，并与所述上支架连接。

5、在一个实施例中，所述下支架的朝向所述上支架的一端设有凹腔，所述力传感单元设于所述凹腔内。

6、在一个实施例中，所述关节包括第一转动关节、第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机，第二电机和第三电机，用于分别驱动调整所述第一转动关节、所述第一移动关节和所述第二移动关节。

7、在一个实施例中，所述关节包括第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机和第二电机，用于分别驱动调整所述第一移动关节和所述第二移动关节。

8、在一个实施例中，所述操纵臂还包括连接在所述持械臂和所述机械臂之间的连杆机构，且所述持械臂与所述连杆机构的连接处设有第二转动关节用于驱动所述持械臂转动；所述力传感单元设于所述持械臂与所述第二转动关节之间。

9、在一个实施例中，所述控制单元还用于控制所述关节分别锁定以及解除锁定。

10、在一个实施例中，所述下支架上与所述持械臂相背的一面还设有用于锁定和解除锁定所述关节的触发键。

11、在一个实施例中，所述从操作设备具有用于术前的自由拖动模式；

12、在所述自由拖动模式，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的拖动作用力fa，所述控制单元用于将所述持械臂受到的拖动作用力fa映射为所述电机组件的输出速度，直至所述持械臂移动至目标点。

13、在一个实施例中，所述从操作设备具有用于术中的自适应模式；

14、在所述自适应模式，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力fa，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力映射为所述电机组件的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机组件的输出速度降低至零。

15、在一个实施例中，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力fa变换为所述机械臂的基座标下的作用力fo，并将所述作用力fo映射至所述电机的输出速度vj。

16、在一个实施例中，所述作用力fa至所述作用力fo的变换通过以下公式实现：

17、fo＝(ajo)tfa；

18、其中，ajo表示所述力传感单元的坐标系和所述基座标系之间的雅克比矩阵；(ajo)t为所述雅克比矩阵的转置矩阵；

19、所述作用力fo到vj的映射通过以下公式实现：

20、vj＝(jr)t(k*fo)；

21、其中，vj为所述电机组件中的电机的输出速度；k为转换系数；jr为所述关节定义的机械雅克比矩阵。

22、在一个实施例中，所述操纵臂还包括设置在所述持械臂上的角度传感器，所述角度传感器与所述控制单元通信连接并用于检测所述持械臂的位姿。

23、本申请的另一目的在于提供一种手术机器人的移动控制方法，所述手术机器人包括机械臂和由所述机械臂驱动的操纵臂，所述操纵臂包括用于夹持手术器械的持械臂，所述移动控制方法包括：

24、在所述持械臂受到作用力时，设置在所述持械臂上的力传感单元输出作用力的大小和方向至控制单元；

25、所述控制单元控制设置在所述机械臂上的电机组件驱动所述持械臂移动。

26、在一个实施例中，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度，直至所述力传感单元检测到的所述持械臂受到的作用力为零。

27、在一个实施例中，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机的输出速度降低至零。

28、本申请实施例的又一目的在于提供一种手术机器人，包括如上述各实施例所说的从操作设备，以及与所述从操作设备通信连接的主控制台。

29、本申请实施例提供的从操作设备、手术机器人及其移动控制方法，其有益效果在于：

30、本申请实施例提供的从操作设备，包括相连接的机械臂和操纵臂，机械臂包括多个用于移动操纵臂的关节，以及用于驱动关节的电机组件；从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，力传感单元设置在持械臂上并用于检测持械臂受到的作用力；控制单元与电机组件连接，控制单元用于根据操纵臂受到的作用力控制电机组件驱动调整关节，能够保证电机的大的驱动力的同时实现轻松拖动和自由调整持械臂。该手术机器人及其移动控制方法允许操作人员轻松拖动和自由调整持械臂。

技术特征：

1.一种从操作设备，包括相连接的机械臂和操纵臂，所述操纵臂包括持械臂；所述机械臂包括多个用于移动所述操纵臂的关节，以及用于驱动所述关节的电机组件；其特征在于，

2.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述持械臂包括相互连接的上支架和下支架，所述上支架耦接到所述机械臂，所述力传感单元设于所述下支架上，并与所述上支架连接。

3.如权利要求2所述的从操作设备，其特征在于，所述下支架的朝向所述上支架的一端设有凹腔，所述力传感单元设于所述凹腔内。

4.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述关节包括第一转动关节、第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机，第二电机和第三电机，用于分别驱动调整所述第一转动关节、所述第一移动关节和所述第二移动关节。

5.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述关节包括第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机和第二电机，用于分别驱动调整所述第一移动关节和所述第二移动关节。

6.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述操纵臂还包括连接在所述持械臂和所述机械臂之间的连杆机构，且所述持械臂与所述连杆机构的连接处设有第二转动关节用于驱动所述持械臂转动；所述力传感单元设于所述持械臂与所述第二转动关节之间。

7.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述控制单元还用于控制所述关节分别锁定以及解除锁定。

8.如权利要求3所述的从操作设备，其特征在于，所述下支架上与所述持械臂相背的一面还设有用于锁定和解除锁定所述关节的触发键。

9.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述从操作设备具有用于术前的自由拖动模式；

10.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述从操作设备具有用于术中的自适应模式；

11.如权利要求9或10所述的从操作设备，其特征在于，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力fa变换为所述机械臂的基座标下的作用力fo，并将所述作用力fo映射至所述电机的输出速度vj。

12.如权利要求11所述的从操作设备，其特征在于，所述作用力fa至所述作用力fo的变换通过以下公式实现：

13.如权利要求1至10中任一项所述的从操作设备，其特征在于，所述操纵臂还包括设置在所述持械臂上的角度传感器，所述角度传感器与所述控制单元通信连接并用于检测所述持械臂的位姿。

14.一种手术机器人的移动控制方法，所述手术机器人包括机械臂和由所述机械臂驱动的操纵臂，所述操纵臂包括用于夹持手术器械的持械臂，其特征在于，所述移动控制方法包括：

15.如权利要求14所述的移动控制方法，其特征在于，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度，直至所述力传感单元检测到的所述持械臂受到的作用力为零。

16.如权利要求14所述的移动控制方法，其特征在于，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机的输出速度降低至零。

17.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求1至13中任一项所述的从操作设备，以及与所述从操作设备通信连接的主控制台。

技术总结
本申请提供了一种从操作设备、手术机器人及其移动控制方法，该从操作设备包括相连接的机械臂和操纵臂，操纵臂包括持械臂，机械臂包括多个用于移动操纵臂的关节，以及用于驱动关节的电机组件；从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，力传感单元设置在持械臂上并用于检测持械臂受到的作用力；控制单元与电机组件连接，控制单元用于根据操纵臂受到的作用力分别控制电机组件驱动调整关节，能够保证电机的大的驱动力的同时实现轻松拖动和自由调整持械臂。

技术研发人员：孙强,刘放,叶国强,王深辉,王建辰
受保护的技术使用者：深圳市精锋医疗科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13